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直拉法单晶硅生长原理、工艺及展望
王正省;任永生;马文会;吕国强;曾毅;詹曙;陈辉;王哲
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2024(38)9
【摘要】碳达峰、碳中和理念提出后,太阳能作为一种可再生绿色能源备受关注。
单晶硅作为主要的光伏材料,其质量决定着太阳能电池效率的高低,为了降低成本和提高产能,人们对单晶硅提出越来越高的要求。
直拉法(CZ法)是单晶硅的主要制备方法,其生产效率高,可实现自动化,直拉单晶硅市场占比超过90%,目前正朝着大尺寸、N型、薄片化、低氧低碳的方向发展。
然而随着晶棒尺寸增大,热场变化更加复杂,现有CZ工艺难以满足市场需求。
未来降低度电成本仍是晶硅光伏发展的驱动力,应通过技术革新、产业标准化、成本控制等手段推动光伏产业发展。
本文介绍了CZ法生长单晶硅的基本原理和生长工艺,分别对缺陷控制、热场优化、氧含量控制等进行了分析,在总结工艺现状和单晶生长特点的基础上对直拉法生长单晶硅的发展方向进行了展望。
【总页数】13页(P1-13)
【作者】王正省;任永生;马文会;吕国强;曾毅;詹曙;陈辉;王哲
【作者单位】昆明理工大学冶金与能源工程学院;东京大学材料工程学院-8656;合肥工业大学计算机与信息学院;北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室【正文语种】中文
【中图分类】O782
【相关文献】
1.直拉法单晶硅生长的数值模拟和控制参数优化
2.直拉法生长单晶硅熔体流动实验模拟(下)
3.直拉法生长单晶硅熔体流动实验模拟(上)
4.直拉法单晶硅生长原理及工艺分析
5.氮掺杂工艺以及退火处理对直拉法单晶硅的影响
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直拉单晶硅工艺流程1. 原料准备直拉单晶硅工艺的第一步是原料准备。
通常使用的原料是高纯度的二氧化硅粉末。
这些二氧化硅粉末需要经过精细的加工和净化，以确保最终制备出的单晶硅质量优良。
2. 熔炼接下来是熔炼过程。
将经过净化的二氧化硅粉末与掺杂剂（通常是磷或硼）混合，然后放入石英坩埚中，在高温高压的环境下进行熔炼。
熔炼过程中，二氧化硅和掺杂剂会发生化学反应，形成多晶硅。
3. 晶棒拉制在熔炼完成后，需要进行晶棒拉制。
这一步是直拉单晶硅工艺的核心步骤。
首先，将熔融的多晶硅放入拉棒机中，然后慢慢地将晶棒拉出。
在拉制的过程中，需要控制温度和拉速，以确保晶棒的质量和直径的均匀性。
4. 晶棒切割拉制完成后，晶棒需要进行切割。
通常使用线锯或者线切割机对晶棒进行切割，将其切成薄片，即所谓的晶圆。
晶圆的直径和厚度可以根据具体的需要进行调整。
5. 晶圆抛光切割完成后，晶圆表面会有一定的粗糙度，需要进行抛光。
晶圆抛光是为了去除表面的缺陷和提高表面的光洁度，以便后续的加工和制备。
6. 接触式氧化晶圆抛光完成后，需要进行接触式氧化。
这一步是为了在晶圆表面形成一层氧化层，以改善晶圆的电学性能和机械性能。
7. 晶圆清洗最后，晶圆需要进行清洗。
清洗过程中，会使用一系列的溶剂和超声波设备，将晶圆表面的杂质和污垢清洗干净，以确保晶圆的纯净度和光洁度。
通过以上步骤，直拉单晶硅工艺就完成了。
最终得到的单晶硅晶圆可以用于制备太阳能电池、集成电路和光电器件等各种应用。
直拉单晶硅工艺流程虽然复杂，但可以制备出质量优良的单晶硅，为半导体产业的发展提供了重要的支持。
直拉法单晶硅的工艺流程
直拉法生长单晶硅的主要工艺流程为:准备→开炉→生长→停炉。
准备阶段先清洗和腐蚀多晶硅,去除表面的污物和氧化层,放人坩埚内。
K4T51163QG-HCE6再准备籽晶,籽晶作为晶核,必须挑选晶格完整性好的单晶,其晶向应与将要拉制的单晶锭的晶向一致,籽晶表面应无氧化层、无划伤。
最后将籽晶卡在拉杆卡具上。
开炉阶段是先开启真空设各将单晶生长室的真空度抽吸至高真空,一般在102Pa以上,通入惰性气体(如氩)及所需的掺杂气体,至一定真空度。
然后,打开加热器升温,同时打开水冷装置,通入冷却循环水。
硅的熔点是1417℃,待多晶硅完全熔融,坩埚温度升至约14⒛℃。
生长过程可分解为5个步骤:引晶→缩颈→放肩→等径生长→收尾。
引晶又称为下种,是将籽晶与熔体很好地接触。
缩颈是在籽晶与生长的单晶锭之问先收缩出晶颈,晶颈最细部分直径只有2~3mm。
放肩是将晶颈放大至所拉制晶锭的直径尺寸,再等径生长硅锭.直至耗尽坩埚内的熔体硅。
最后收尾结束单晶生长。
晶体生长中,控制拉杆提拉速度和转速、坩埚温度及坩埚反向转速是很重要的,硅锭的直径和生长速度与上述囚素有关。
在坩埚温度、坩埚反向转速一定时,主要通过控制拉杆提拉速度来控制硅锭的生长。
即籽晶熔接好后先快速提拉进行缩颈,再渐渐放慢提拉度进行放肩至所需直径,最后等速拉出等径硅锭。
单晶硅生长原理及工艺摘要：介绍了直拉法生长单晶硅的基本原理及工艺条件。
通过控制不同的工艺参数（晶体转速：2.5、10、20rpm；坩埚转速： 1.25、5、10），成功生长出了三根150×1000mm 优质单晶硅棒。
分别对这三种单晶硅样品进行了电阻率、氧含量、碳含量、少子寿命测试，结果表明，当晶体转速为10rpm，坩埚转速为5rpm，所生长出的单晶硅质量最佳。
最后分析了氧杂质和碳杂质的引入机制及减少杂质的措施。
关键词：单晶硅；直拉法生长；性能测试；氧杂质；碳杂质中图分类号：O782 文献标识码：A 文章编号：1672 －9870（2009）04 －0569 －05收稿日期：2009 07 25基金项目：中国兵器科学研究院资助项目（42001070404）作者简介：刘立新（1962 ），男，助理研究员，E-mail：lxliu2007@。
刘立新1，罗平1，李春1，林海1，张学建1，2，张莹1（1.长春理工大学材料科学与工程学院，长春130022；2.吉林建筑工程学院，长春130021）Growth Principle and Technique of Single Crystal SiliconLIU Lixin1，LUO Ping1，LI Chun1，LIN Hai1，ZHANG Xuejian1，2，ZHANG Ying1（1.Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2. Jilin Architectural and civil Engineering institute，Changchun 130021）Abstract：This paper introduces the basic principle and process conditions of single crystal silicon growth by Cz method.Through controlling different process parameters (crystal rotation speed: 2.5，10，20rpm; crucible rotation speed: -1.25，-5，-10)，three high quality single crystal silicon rods with the size of 150×1000mm were grown successfully. Performancemeasurements of three single crystal silicon samples were performed including resistivity，oxygen and carbon content，minority carrier lifetime，respectively. The results show that as-grown single crystal silicon has the optimal qualitywhen crystal rotation speed is 10rpm，and crucible rotation speed is -5rpm. Finally，the introducing mechanism of oxygenand carbon impurities，and the way to reduce the impurities were discussed.Key words：single crystal silicon；growth by Cz method；performance measurements；oxygen impurities；carbon impurities单晶硅属于立方晶系，金刚石结构，是一种性能优良的半导体材料。
直拉法单晶硅工艺过程和技术改进直拉法单晶硅工艺过程和技术改进直拉法单晶硅工艺过程－引晶：经过电阻加热，将装在石英坩埚中的多晶硅熔化，并保持略高于硅熔点的温度，将籽晶浸入熔体，然后以一定速度向上提拉籽晶并并且旋转引出晶体；－缩颈：生长一定长度的缩小的细长颈的晶体，以防止籽晶中的位错延伸到晶体中；－放肩：将晶体操纵到所需直径；－等径生长：依照熔体和单晶炉事情，操纵晶体等径生长到所需长度；－收尾：直径逐渐缩小，离开熔体；－落温：落底温度，取出晶体，待后续加工直拉法－几个基本咨询题最大生长速度晶体生长最大速度与晶体中的纵向温度梯度、晶体的热导率、晶体密度等有关。
提高晶体中的温度梯度，能够提高晶体生长速度；但温度梯度太大，将在晶体中产生较大的热应力，会导致位错等晶体缺陷的形成，甚至会使晶体产生裂纹。
为了落低位错密度，晶体实际生长速度往往低于最大生长速度。
熔体中的对流相互相反旋转的晶体（顺时针）和坩埚所产生的强制对流是由离心力和向心力、最后由熔体表面张力梯度所驱动的。
所生长的晶体的直径越大（坩锅越大），对流就越强烈，会造成熔体中温度波动和晶体局部回熔，从而导致晶体中的杂质分布别均匀等。
实际生产中，晶体的转动速度普通比坩锅快1-3倍，晶体和坩锅彼此的相互反向运动导致熔体中心区与外围区发生相对运动，有利于在固液界面下方形成一具相对稳定的区域，有利于晶体稳定生长。
生长界面形状（固液界面）固液界面形状对单晶均匀性、完整性有重要妨碍，正常事情下，固液界面的宏观形状应该与热场所确定的熔体等温面相吻合。
在引晶、放肩时期，固液界面凸向熔体，单晶等径生长后，界面先变平后再凹向熔体。
经过调整拉晶速度，晶体转动和坩埚转动速度就能够调整固液界面形状。
生长过程中各时期生长条件的差异直拉法的引晶时期的熔体高度最高，裸露坩埚壁的高度最小，在晶体生长过程直到收尾时期，裸露坩埚壁的高度别断增大，如此造成生长条件别断变化（熔体的对流、热传输、固液界面形状等），即整个晶锭从头到尾记忆别同的热历史：头部受热时刻最长，尾部最短，如此会造成晶体轴向、径向杂质分布别均匀。
